Algakultur - Algaculture

Algakultur er en form for havbruk som involverer oppdrett av alger .

Flertallet av alger som med vilje dyrkes faller inn under kategorien mikroalger (også referert til som planteplankton , mikrofytter eller planktoniske alger ). Makroalger , ofte kjent som tang , har også mange kommersielle og industrielle bruksområder, men på grunn av størrelsen og de spesifikke kravene til miljøet de trenger for å vokse, egner de seg ikke like lett til dyrking (dette kan imidlertid endre seg, med ankomsten av nyere tangkultivatorer, som i utgangspunktet er algeskrubber som bruker oppstrømmende luftbobler i små beholdere).

Kommersiell og industriell algedyrking har mange bruksområder, inkludert produksjon av matingredienser som omega-3 fettsyrer eller naturlige matfargestoffer og fargestoffer , mat , gjødsel , bioplast , kjemisk råstoff, legemidler og algebrensel , og kan også brukes som et middel for forurensningskontroll .

Den globale produksjonen av oppdrettede vannplanter, overveiende dominert av tang, vokste i produksjonsvolum fra 13,5 millioner tonn i 1995 til drøyt 30 millioner tonn i 2016.

Dyrking, høsting og bearbeiding av alger

Monokultur

De fleste produsenter foretrekker monokulturell produksjon og strekker seg langt for å opprettholde renheten i kulturene. De mikrobiologiske forurensningene er imidlertid fortsatt under etterforskning.

Med blandede kulturer kommer en art til å dominere over tid, og hvis en ikke-dominerende art antas å ha spesiell verdi, er det nødvendig å skaffe rene kulturer for å dyrke denne arten. Individuelle artskulturer er også sterkt nødvendig for forskningsformål.

En vanlig metode for å oppnå rene kulturer er seriefortynning . Kultivatorer fortynner enten en villprøve eller en laboratorieprøve som inneholder de ønskede alger med filtrert vann og innfører små alikvoter (målinger av denne løsningen) i et stort antall små voksende beholdere. Fortynning følger en mikroskopisk undersøkelse av kildekulturen som spår at noen av de voksende beholderne inneholder en enkelt celle av den ønskede arten. Etter en passende periode på et lysbord, bruker kultivatorer igjen mikroskopet til å identifisere beholdere for å starte større kulturer.

En annen tilnærming er å bruke et spesielt medium som utelukker andre organismer, inkludert invasive alger. For eksempel er Dunaliella en vanlig voksen slekt av mikroalger som blomstrer i ekstremt salt vann som få andre organismer tåler.

Alternativt kan blandede aldekulturer fungere godt for larvebløtdyr . Først filtrerer kultivatoren sjøvannet for å fjerne alger som er for store til at larvene kan spise. Deretter legger kultivatoren til næringsstoffer og muligens lufter resultatet. Etter en eller to dager i et drivhus eller utendørs, er den resulterende tynne suppen av blandede alger klar for larvene. En fordel med denne metoden er lite vedlikehold.

Voksende alger

Mikroalger brukes til å dyrke saltlake reker , som produserer sovende egg (bildet). Eggene kan deretter klekkes etter behov og mates til dyrkede fiskelarver og krepsdyr.

Vann, karbondioksid , mineraler og lys er alle viktige faktorer for dyrking, og forskjellige alger har forskjellige krav. Den grunnleggende reaksjonen for algevekst i vann er karbondioksid + lysenergi + vann = glukose + oksygen + vann. Dette kalles autotrofisk vekst. Det er også mulig å dyrke visse typer alger uten lys, disse typer alger bruker sukker (for eksempel glukose). Dette er kjent som heterotrof vekst.

Temperatur

Vannet må være i et temperaturområde som vil støtte at de spesifikke algeartene vokser stort sett mellom 15˚C og 35˚C.

Lys og blanding

I et typisk alg-dyrkingssystem, for eksempel en åpen dam, trenger lys bare inn i de øverste 3 til 4 tommer (76–102 mm) av vannet, selv om dette avhenger av algetettheten. Når algene vokser og formerer seg, blir kulturen så tett at den blokkerer lys fra å nå dypere ned i vannet. Direkte sollys er for sterkt for de fleste alger, som bare kan bruke omtrent 1 / 10 mengden lys de mottar fra direkte sollys; Å eksponere en algekultur for direkte sollys (i stedet for å skygge den) er imidlertid ofte det beste kurset for sterk vekst, ettersom algen under overflaten er i stand til å utnytte mer av det mindre intense lyset som skapes fra algenes skygge ovenfor.

For å bruke dypere dammer, oppdyrker dyrkere vannet og sirkulerer algen slik at det ikke blir igjen på overflaten. Padlehjul kan røre vannet og trykkluften som kommer fra bunnen, løfter alger fra de nedre områdene. Agitasjon bidrar også til å forhindre overeksponering for solen.

En annen måte å levere lys på er å plassere lyset i systemet. Glødeplater laget av plast eller glass og plassert i tanken gir presis kontroll over lysintensiteten og fordeler den jevnere. De blir imidlertid sjelden brukt på grunn av høye kostnader.

Lukt og oksygen

Lukten forbundet med myr , sump og andre stillestående farvann kan skyldes oksygenmangel forårsaket av forfall av avdøde algblomster . Under anoksiske forhold bryter bakteriene som bor i algekulturer ned det organiske materialet og produserer hydrogensulfid og ammoniakk , noe som forårsaker lukten. Denne hypoksien resulterer ofte i at akvatiske dyr dør. I et system hvor alger med vilje dyrkes, vedlikeholdes og høstes, er det sannsynlig at verken eutrofiering eller hypoksi vil forekomme.

Noen levende alger og bakterier produserer også luktende kjemikalier, spesielt visse cyanobakterier (tidligere klassifisert som blågrønne alger) som Anabaena . De mest kjente av disse luktfremkallende kjemikaliene er MIB ( 2-metylisoborneol ) og geosmin . De gir en muggen eller jordaktig lukt som kan være ganske sterk. Til slutt død av cyanobakteriene frigjør ytterligere gass som er fanget i cellene. Disse kjemikaliene er påviselige på svært lave nivåer - i deler per milliard -området - og er ansvarlige for mange "smak og lukt" -problemer i behandling og distribusjon av drikkevann . Cyanobakterier kan også produsere kjemiske giftstoffer som har vært et problem i drikkevann.

Næringsstoffer

Næringsstoffer som nitrogen (N), fosfor (P) og kalium (K) fungerer som gjødsel for alger, og er generelt nødvendige for vekst. Silika og jern, i tillegg til flere sporstoffer, kan også betraktes som viktige marine næringsstoffer ettersom mangel på en kan begrense veksten eller produktiviteten i et gitt område. Karbondioksid er også viktig; vanligvis er det nødvendig med CO 2 -inngang for hurtigvekst av alger. Disse elementene må løses opp i vannet, i biotilgjengelige former, for at alger skal vokse.

Metoder

Oppdrett av makroalger

En person står på grunt vann og samler tang som har vokst på et tau.
En tangbonde i Nusa Lembongan (Indonesia) samler spiselig tang som har vokst på et tau.

Tangoppdrett eller tangoppdrett er dyrking og høsting av tang . I sin enkleste form består den av håndtering av naturlig funnet partier. I sin mest avanserte form består den av å fullstendig kontrollere livssyklusen til alger.

De syv beste dyrkede tangtaxaene er Eucheuma spp., Kappaphycus alvarezii , Gracilaria spp., Saccharina japonica , Undaria pinnatifida , Pyropia spp. Og Sargassum fusiforme . Eucheuma og K. alvarezii er oppdrettet for carrageenan (et geleringsmiddel ); Gracilaria er oppdrettet for agar ; mens resten blir oppdrettet for mat. De største tangproduserende landene er Kina, Indonesia og Filippinene. Andre bemerkelsesverdige produsenter inkluderer Sør -Korea, Nord -Korea, Japan, Malaysia og Zanzibar ( Tanzania ). Tangoppdrett har ofte blitt utviklet som et alternativ for å forbedre økonomiske forhold og for å redusere fisketrykk og overutnyttet fiskeri.

Global produksjon av oppdrettede vannplanter, overveiende dominert av tang, vokste i produksjonsvolum fra 13,5 millioner tonn i 1995 til drøyt 30 millioner tonn i 2016. Fra 2014 var tang 27% av alt marint havbruk . Tangoppdrett er en karbon -negativ avling, med et stort potensial for å redusere klimaendringer . IPCCs spesialrapport om havet og kryosfæren i et skiftende klima anbefaler "ytterligere forskningsoppmerksomhet" som en dempende taktikk.

Åpne dammer

Raceway dam pleide å dyrke mikroalger. Vannet holdes i konstant bevegelse med et drevet hjul .

Dammer og innsjøer av raceway-type er åpne for elementene. Åpne dammer er svært sårbare for forurensning av andre mikroorganismer, for eksempel andre alger eller bakterier. Dermed velger kultivatorer vanligvis lukkede systemer for monokulturer. Åpne systemer gir heller ikke kontroll over temperatur og belysning. Vekstsesongen er i stor grad avhengig av beliggenhet og, bortsett fra tropiske områder, er den begrenset til de varmere månedene.

Åpne damsystemer er billigere å konstruere, og krever som minimum bare en grøft eller dam. Store dammer har den største produksjonskapasiteten i forhold til andre systemer med sammenlignbare kostnader. Dyrking av åpen dam kan også utnytte uvanlige forhold som bare passer til spesifikke alger. For eksempel vokser Dunaliella salina i ekstremt saltvann; disse uvanlige mediene utelukker andre typer organismer, noe som tillater vekst av rene kulturer i åpne dammer. Åpen kultur kan også fungere hvis det er et system for å høste bare de ønskede alger, eller hvis damene ofte blir reinokulert før invasive organismer kan formere seg betydelig. Sistnevnte tilnærming brukes ofte av Chlorella -bønder, ettersom vekstforholdene for Chlorella ikke utelukker konkurrerende alger.

Den førstnevnte fremgangsmåte kan anvendes i tilfelle av noen kjede kiselalger , siden de kan filtreres fra en strøm av vann som strømmer gjennom en utløpsrøret . Et " putetrekk " av en finmasket klut er bundet over utløpsrøret slik at andre alger kan rømme. Kjetting kiselalger holdes i posen og materekelarver (i Eastern settefiskanlegg ) og Inokuler nye tanker eller dammer.

Ved å omslutte en dam med en gjennomsiktig eller gjennomsiktig barriere blir den effektivt til et drivhus. Dette løser mange av problemene knyttet til et åpent system. Det gjør det mulig å dyrke flere arter, det lar artene som dyrkes å forbli dominerende, og det forlenger vekstsesongen - hvis den varmes opp, kan dammen produsere året rundt. Åpne dammer ble brukt til fjerning av bly ved bruk av levende Spirulina (Arthospira) sp .

Fotobioreaktorer

Alger kan også dyrkes i en fotobioreaktor (PBR). En PBR er en bioreaktor som inneholder en lyskilde. Nesten hvilken som helst gjennomsiktig beholder kan kalles en PBR; Imidlertid er begrepet mer vanlig brukt for å definere et lukket system, i motsetning til en åpen tank eller dam.

Fordi PBR -systemer er lukket, må kultivatoren gi alle næringsstoffer, inkludert CO
2
.

En PBR kan operere i " batch -modus", som innebærer å fylle reaktoren på igjen etter hver høsting, men det er også mulig å vokse og høste kontinuerlig. Kontinuerlig drift krever presis kontroll av alle elementene for å forhindre umiddelbar kollaps. Oppdretteren gir sterilisert vann, næringsstoffer, luft og karbondioksid til de riktige hastighetene. Dette gjør at reaktoren kan fungere i lange perioder. En fordel er at alger som vokser i " logfasen " generelt har et høyere næringsinnhold enn gamle " senescent " alger. Algalkultur er dyrking av alger i dammer eller andre ressurser. Maksimal produktivitet oppstår når "valutakursen" (tid til å bytte ett volum væske) er lik "doblingstiden" (i masse eller volum) av algen.

PBR kan holde kulturen i suspensjon, eller de kan gi et substrat som kulturen kan danne en biofilm på. Biofilmbaserte PBR har fordelen at de kan gi langt høyere utbytte for et gitt vannmengde, men de kan lide av problemer med celler som skiller seg fra underlaget på grunn av vannstrømmen som kreves for å transportere gasser og næringsstoffer til kulturen.

Ulike typer suspendert kultur PBR inkluderer:

Biofilm PBR inkluderer pakket seng og porøse substrat PBR. Pakket seng PBR kan ha forskjellige former, inkludert flat plate eller rørformet. I Porous Substrate Bioreactors (PSBRs) eksponeres biofilmen direkte for luften og mottar vannet og næringsstoffene ved kapillærvirkning gjennom selve underlaget. Dette unngår problemer med at celler blir suspendert fordi det ikke er vannstrøm over biofilmoverflaten. Kulturen kan bli forurenset av luftbårne organismer, men forsvar mot andre organismer er en av funksjonene til en biofilm.

Høsting

Alger kan høstes ved hjelp av mikroskjermer, ved sentrifugering , ved flokkulering og ved skumflotasjon .

Avbrudd av karbondioksidtilførselen kan føre til at alger flokkulerer på egen hånd, som kalles "autoflokkulering".

"Chitosan", et kommersielt flokkuleringsmiddel, mer vanlig for vannrensing, er langt dyrere. De pulveriserte skallene til krepsdyr behandles for å skaffe kitin , et polysakkarid som finnes i skallene, som kitosan stammer fra via de-acetylering. Vann som er mer brakholdig eller saltvann krever større mengder flokkuleringsmiddel. Flokkulering er ofte for dyrt for store operasjoner.

Alun og jernklorid er andre kjemiske flokkuleringsmidler.

I skum flotasjon, kultivatoren lufter vannet inn i et skum, og deretter skummer alger fra toppen.

Ultralyd og andre høstingsmetoder er under utvikling.

Oljeutvinning

Algeoljer har en rekke kommersielle og industrielle bruksområder, og utvinnes gjennom en rekke metoder. Estimater av kostnaden for å utvinne olje fra mikroalger varierer, men er sannsynligvis rundt tre ganger høyere enn for å utvinne palmeolje .

Fysisk ekstraksjon

I det første trinnet med ekstraksjon må oljen skilles fra resten av algen. Den enkleste metoden er mekanisk knusing . Når alger tørkes beholder den oljeinnholdet, som deretter kan "presses" ut med en oljepresse . Ulike stammer av alger garanterer forskjellige metoder for oljepressing, inkludert bruk av skrue, ekspeller og stempel. Mange kommersielle produsenter av vegetabilsk olje bruker en kombinasjon av mekanisk pressing og kjemiske løsningsmidler i utvinning av olje. Denne bruken brukes ofte også for utvinning av algeolje.

Osmotisk sjokk er en plutselig reduksjon i osmotisk trykk , dette kan føre til at celler i løsningen sprekker. Osmotisk sjokk brukes noen ganger for å frigjøre cellulære komponenter, for eksempel olje.

Ultralydsekstraksjon , en gren av sonokjemi , kan i stor grad akselerere ekstraksjonsprosesser. Ved hjelp av en ultralydsreaktor brukes ultralydbølger til å lage kavitasjonsbobler i et løsningsmiddel. Når disse boblene kollapser nær celleveggene, forårsaker de resulterende sjokkbølgene og væskestrålene at cellens vegger brytes og frigjør innholdet i et løsningsmiddel. Ultralydbehandling kan forbedre grunnleggende enzymatisk ekstraksjon.

Kjemisk ekstraksjon

Kjemiske løsningsmidler brukes ofte i ekstraksjonen av oljene. Ulempen med å bruke løsningsmidler for oljeutvinning er farene ved arbeidet med kjemikaliene. Det må utvises forsiktighet for å unngå eksponering for damper og hudkontakt, som kan forårsake alvorlig helseskade. Kjemiske løsningsmidler utgjør også en eksplosjonsfare.

Et vanlig valg av kjemisk løsningsmiddel er heksan , som er mye brukt i næringsmiddelindustrien og er relativt billig. Benzen og eter kan også skille olje. Benzen er klassifisert som kreftfremkallende .

En annen metode for ekstraksjon av kjemisk løsningsmiddel er ekstraksjon av Soxhlet . I denne metoden ekstraheres oljer fra algen gjennom gjentatt vasking eller perkolering med et organisk løsningsmiddel som heksan eller petroleumeter , under tilbakeløp i et spesielt glass. Verdien av denne teknikken er at løsningsmidlet gjenbrukes for hver syklus.

Enzymatisk ekstraksjon bruker enzymer for å nedbryte celleveggene med vann som fungerer som løsningsmiddel. Dette gjør fraksjonering av oljen mye lettere. Kostnadene ved denne ekstraksjonsprosessen er anslått til å være mye større enn heksanekstraksjon.

Superkritisk CO 2 kan også brukes som løsningsmiddel. I denne metoden blir CO 2 flytende under trykk og oppvarmet til det punktet at den blir superkritisk (med egenskaper til både en væske og en gass), slik at den kan fungere som et løsningsmiddel.

Andre metoder er fortsatt under utvikling, inkludert metoder for å ekstrahere spesifikke typer oljer, for eksempel de med høy produksjon av langkjedede, umettede fettsyrer.

Alkalsamlinger

Spesifikke algestammer kan anskaffes fra algkultursamlinger, med over 500 kultursamlinger registrert hos World Federation for Culture Collections.

Bruk av alger

Dulse er en av mange spiselige alger.

Mat

Flere arter av alger er oppdratt for mat.

  • Lilla laver ( Porphyra ) er kanskje den mest tamme marine algen. I Asia brukes den i nori ( Japan ) og gim ( Korea ). I Wales brukes det i laverbread , en tradisjonell mat, og i Irland blir det samlet og gjort til en gelé ved å steke eller koke . Forberedelse kan også innebære steking eller oppvarming av bladene med litt vann og slå med en gaffel for å produsere en rosa gelé. Høsting skjer også langs vestkysten av Nord -Amerika , og på Hawaii og New Zealand .
  • Dulse ( Palmaria palmata ) er en rød art som selges i Irland og Atlanterhavet Canada . Den spises rå, fersk, tørket eller kokt som spinat .
  • Spirulina ( Arthrospira platensis ) er en blågrønn mikroalge med en lang historie som matkilde i Øst-Afrika og førkolonial Mexico. Spirulina inneholder mye proteiner og andre næringsstoffer, og kan brukes som kosttilskudd og for underernæring. Spirulina trives i åpne systemer, og kommersielle dyrkere har funnet den godt egnet til dyrking. Et av de største produksjonsstedene er Lake Texcoco i Mexico sentrum. Plantene produserer en rekke næringsstoffer og store mengder protein . Spirulina brukes ofte kommersielt som et kosttilskudd.
  • Chlorella , en annen populær mikroalge, har lignende ernæring som spirulina. Chlorella er veldig populær i Japan . Det brukes også som et kosttilskudd med mulige effekter på stoffskiftet.
  • Irsk mose ( Chondrus crispus ), ofte forvekslet med Mastocarpus stellatus , er kilden til karrageenan , som brukes som et avstivningsmiddel i instantpuddinger, sauser og meieriprodukter som iskrem. Irsk mose brukes også av ølbryggere som et finmiddel .
  • Havsalat ( Ulva lactuca ), brukes i Skottland , hvor den tilsettes supper og salater.
  • Dabberlocks eller badderlocks (Alaria esculenta ) spises enten fersk eller tilberedt på Grønland , Island , Skottland og Irland.
  • Aphanizomenon flos-aquae er en cyanobakterie som ligner spirulina, som brukes som kosttilskudd.
  • Ekstrakter og oljer fra alger brukes også som tilsetningsstoffer i ulike matvarer. Plantene produserer også Omega-3 og Omega-6 fettsyrer , som ofte finnes i fiskeoljer , og som har vist seg å ha positive helsemessige fordeler.
  • Sargassum -arter er en viktig gruppe tang. Disse algene har mange phlorotanniner .
  • Cochayuyo ( Durvillaea antarctica ) spises i salater og ceviche i Peru og Chile.
  • Både mikroalger og makroalger brukes til å lage agar (se nedenfor), som brukes som geleringsmiddel i matvarer.

Lab manipulasjon

Australske forskere ved Flinders University i Adelaide har eksperimentert med å bruke marine mikroalger for å produsere proteiner til konsum, og laget produkter som " kaviar ", veganske burgere, falskt kjøtt , syltetøy og andre matpålegg . Ved å manipulere mikroalger i et laboratorium , kan protein og andre næringsinnhold økes, og smaker endres for å gjøre dem mer velsmakende. Disse matvarene etterlater et mye lettere karbonavtrykk enn andre former for protein, ettersom mikroalger absorberer i stedet for å produsere karbondioksid , noe som bidrar til klimagassene .

Gjødsel og agar

I århundrer har tang blitt brukt som gjødsel . Det er også en utmerket kilde til kalium for produksjon av kalium og kaliumnitrat . Noen av mikroalger kan også brukes på denne måten.

Både mikroalger og makroalger brukes til å lage agar .

Forurensningskontroll

Med bekymring for global oppvarming , er det søkt nye metoder for grundig og effektiv fangst av CO 2 . Karbondioksidet som et karbon-drivstoffanlegg produserer, kan mate inn i åpne eller lukkede algesystemer, fikse CO 2 og akselerere algevekst. Ubehandlet kloakk kan levere ytterligere næringsstoffer, og dermed gjøre to forurensninger til verdifulle varer.

Algedyrking er under utredning for uran/plutonium -sekvestrering og rensing av gjødselavrenning.

Energiproduksjon

Næringslivet, akademia og myndigheter undersøker muligheten for å bruke alger til å lage bensin, bio-diesel, biogass og annet drivstoff. Alger i seg selv kan brukes som biodrivstoff, og i tillegg brukes til å lage hydrogen. Se Algen drivstoff .

Andre bruksområder

Chlorella , spesielt en transgen stamme som bærer en ekstra kvikksølv -reduktase- genet , er blitt undersøkt som et middel for miljømessig utbedring på grunn av sin evne til å redusere Hg2+
til det mindre giftige elementære kvikksølv.

Dyrkede alger tjener mange andre formål, inkludert kosmetikk, dyrefôr, bioplastproduksjon, fargestoffer og fargestoffproduksjon, kjemisk råstoffproduksjon og farmasøytiske ingredienser.

Se også

Kilder

Definisjon av Free Cultural Works logo notext.svg Denne artikkelen inneholder tekst fra et gratis innholdsverk . Lisensiert under CC BY-SA 3.0 IGO Lisenserklæring/tillatelse på Wikimedia Commons . Tekst hentet fra Kort sagt, The State of World Fisheries and Aquaculture, 2018 , FAO, FAO. For å lære hvordan du legger til åpen lisenstekst i Wikipedia-artikler, kan du se denne veiledningssiden . For informasjon om gjenbruk av tekst fra Wikipedia , se vilkårene for bruk .

Referanser

Eksterne linker